軟驅動器和微型機器人因其在交通運輸、光電轉換設備、臨床護理和其他領域的潛在應用而備受關注。但相對復雜的制造工藝、高昂的價格、復雜的結構、較差的便攜性、較低的靈敏度和較長的響應時間，這些都很大程度上限制了它們的實際應用。如何利用簡單的制備方法獲得多功能、低成本、高靈敏度和穩定性良好的軟機器人仍然存在挑戰。
近日，暨南大學劉明賢教授團隊提出以中國墨水（C）、聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯(PE)為原料，采用簡單涂覆的方法制造了結構穩定的PVA/C/PE雙層膜的光驅動柔性致動器和多功能傳感器。該工作發表于Science China Materials (中科院分區：二區，影響因子：8.10)，題目為”Light-driven Locomotive Soft Actuator and Multi-functional Sensors Based on Asymmetric PVA/Carbon/PE Bilayer Film”。論文第一作者為2021級碩士生吳鳳，劉明賢教授為論文唯一通訊作者。
圖1. PVA/C/PE雙層膜的制備與表征。
圖2. PVA/C/PE雙層膜傳感器的氙燈驅動致動。
基于PVA/C/PE雙層膜優異的光驅動變形性能，其有望成為構建光驅動致動器的元件。如圖2a所示，致動器由PVA/C和PE層組成。眾所周知，PE是商業上廣泛使用的高分子材料，具有大的熱膨脹系數(約500×10-6 ℃-1) [47]，遠高于墨水(106×10-6 ℃-1) [36]和PVA (31.17×10-7 ℃-1) [48]，而兩層之間的受熱變形失配會產生大的彎曲變形。在氙燈照射下，PVA/C層吸收光并將其轉化為熱能后傳導到PE膜層，PE層受熱而引起體積膨脹。如圖2b所示，當用氙燈(60 mW cm-2)照射蝴蝶形狀的PVA/C/PE驅動器時，原本張開的蝴蝶翅膀發生收卷。他們以氙燈為能量源，進一步定量研究PVA/C/PE雙層薄膜的光驅動性。如圖2c所示，在氙燈照射(100 mW cm-2)下，致動器在1.2 s內彎曲成螺旋狀，連續照射6.3 s后彎曲角度可達到近1260°。關閉氙燈后，驅動器在21 s內恢復到初始形狀，表現出良好的可逆性(具體過程見視頻S1)。圖2 d則為氙燈驅動形變與回復過程對應的熱紅外圖像。
視頻S1. 氙燈驅動下的變形與回復
圖S3. 氙燈驅動的PVA/C/PE致動器模擬尺蠖運動。
尺蠖是自然中常見的軟體動物，具有利用背部肌肉的伸展和收縮來實現定向爬行的獨特運方式(圖3a)。尺蠖的爬行過程可以簡單分為兩種方式：尾巴固定，身體伸展帶動頭部前進；或者頭部固定，身體拱起帶動尾部向前運動。尺蠖通過伸展和彎曲間的交替運動實現定向爬行。以氙燈作光源，結合尺蠖的仿生結構設計。他們設計了一種類尺蠖的具有雙層結構的PVA/C/PE柔性仿生機器人，它可以實現氙燈驅動下的定向移動。
圖3b展示了尺蠖狀軟體機器人的光響應爬行示意圖，該機器人具有鋸齒狀頭部和規則形狀的尾部。當受氙燈照射時，其身體發生卷曲；而未受氙燈照射時，機器人身體逐漸恢復其初始形狀。但由于矩形的尾巴(F1 )比鋸齒狀的頭部受到更多的摩擦(F2 )，在形變恢復過程中受到的阻力會更大，因此在形變恢復過程中呈現身體帶動頭部向前運動的動作。因此，在氙燈的循環照射下軟體機器人(21 mm長，7 mm 寬)能夠實現在不同的基底上的運動。圖3 c為機器人模擬尺蠖在葉片上的爬行。該尺蠖機器人在411.7 s內在葉片上爬行了40 mm， 具體過程見視頻 S2所示。
視頻S2. 氙燈驅動模擬尺蠖在葉片上運動。
除了可以實現在樹葉上的爬行，該機器人還可以實現在紙張和棘輪形基板上的定向運動，具體過程見視頻 S3和S4所示。
視頻S3. 氙燈驅動模擬尺蠖在紙張上運動。
視頻S4. 氙燈驅動模擬尺蠖在棘輪形基板上運動。
圖3d為氙燈刺激時機器人頭部和尾部爬行距離隨時間的變化，揭示了機器人受氙燈驅動的詳細過程。圖3e為機器人爬行過程中長度的變化。當氙燈打開時，機器人蜷縮起來，頭部和尾部之間的距離急劇減小。氙燈關閉，尾部固定，身體帶動頭部向前，頭部和尾巴的距離逐漸增大。氙燈強度的波動與機器人長度變化的一致性進一步說明了機器人的定向運動的光熱驅動機制。
圖4. 紅外刺激下仿生機器人實現方向可控的連續運動。
在紅外刺激下，軟體機器人能夠在棘輪形基底上進行多種類型的運動，例如爬行、推箱子和搬運貨物，示意圖見圖4b所示。圖4c展示了808 nm紅外光波動驅動的尺蠖狀軟機器人(9.2 mg)的定向運動的圖像。在808 nm紅外光連續刺激228 s后，它自發向右爬行了約38 mm。除了爬行外，機器人還能推運物體，如圖4d所示。除此之外，機器人還可以實現對物體（3.4 mg）的搬運（圖4e），搬運物體的具體過程見視頻S5。
視頻S5. 機器人紅外驅動下實現對物體的搬運。
圖5. PVA/C/PE雙層膜傳感器的光熱性能。
繼而研究了溫度對薄膜電阻的影響。如圖5d所示，薄膜電阻隨著溫度升高而增加（30℃-90℃）。相關工作表明，導電網絡或通道斷裂會增加材料的電阻[49]。當復合材料受熱時，由于導電相與基體的膨脹程度不同，復合材料的內部結構發生變化，導致“導電通道”的斷裂，從而引起電阻的增大。圖5e顯示了薄膜在氙燈（100 mW cm-2）照射循環下的電阻變化，薄膜的電阻隨著氙燈的開閉而呈現出規律的增加和減。ó旊療舸蜷_時，薄膜溫度升高導致電阻增加。而關閉氙燈后，薄膜溫度迅速降低，薄膜電阻也會迅速減）。圖5f展示了不同光強度下薄膜的電阻變化。薄膜電阻變化程度隨著光強的降低而逐漸減小。例如，當氙燈光強度為100、80 和60 mW cm-2時，薄膜電阻分別增加到初始電阻的7.0%、5.2%和2.6%。
圖6. PVA/C/PE雙層薄膜的光熱應用。
通過分析薄膜表面溫度隨氙燈功率的變化，在一定功率范圍內二者存在著線性關系，因此可以很容易地通過調節氙燈功率來控制PVA/C/PE雙層膜的溫度(圖6a)。PVA/C/PE雙層薄膜的溫度在5次開/關氙燈的循環下顯示出良好的循環穩定性(圖6b)；赑VA/C層具有良好的光熱轉換能力，薄膜的表面溫度在5 s內急劇增加到90℃，在20 s內增加到140℃，溫度達到平衡后保持穩定。(圖6c)。
將PVA/C/PE雙層膜與商業熱電發電機進行集成以進行應用演示(圖6d)。在氙燈照射下，薄膜迅速吸收光能并將其轉化為熱能，之后將熱量傳遞到熱電發電機的上表面(圖6e)。當發電機的上表面和下表面產生溫差后，熱電發電機產生電流輸出。如圖6f所示，當熱電發電機上下表面的溫差保持穩定時，輸出電壓也長時間保持穩定。熱電發電機的輸出電壓會隨著氙燈的功率的增加而增加(圖6g)。在固定功率氙燈照射下，熱電發電機的電壓逐漸達到穩定，之后如果進一步增加氙燈功率，發電機電壓則會進一步升高并逐漸達到穩定 (圖6h)。熱電發電機的最大輸出電壓與平衡溫度隨氙燈功率的變化如圖6i所示。當氙燈功率從60 mW cm-2增加到100 mW cm-2時，熱電發電機的最大輸出電壓從0.11 V上升到0.24 V，平衡溫度從106℃上升到140℃。上述結果說明了PVA/C/PE雙層膜有望應用于與戶外便攜式電源器件和光伏轉換器件等進行集成。
壓力的施加可導致薄膜導電路徑的縮短，從而減小通道電阻[50]。當對PVA/C/PE雙層膜施加壓力時，導電C顆粒之間的距離會縮短，導電路徑會增加，從而導致薄膜電阻的降低。當壓力釋放時，導電路徑發生分離，電阻逐漸增大。如圖7a所示，當向PVA/C/PE雙層薄膜傳感器施加435.5 kPa的壓力時，薄膜電阻降低到初始電阻的97%。圖7b展示了薄膜電阻的減小的程度隨著施加壓力的增大而增加。圖7c則展示了傳感器具有良好的壓力循環穩定性，在對傳感器施加一定壓力循環72次后，該傳感器仍然良好的穩定性。
圖7. PVA/C/PE雙層膜的壓力響應應用。
圖8.PVA/C/PE雙層膜的光響應應用。
他們設計了由氙燈驅動的抓手，能夠改變面部表情的機器貓，實現卷曲和恢復的象鼻和能夠盛開與閉合的仿生花作為光響應的應用展示。在氙燈照射下原本張開的抓手逐漸收卷 (9.8 mg) 實現對自身重量14倍的物體的捕捉，關閉氙燈后抓手逐漸打開釋放物，具體過程見視頻S6。
視頻S6. 氙燈驅動實現對物體的捕獲。
該過程的示意圖如圖8a所示。抓取過程對應的過程圖和熱紅外圖則分別如圖8b和 圖8c所示。除此之外，PVA/C/PE還有望用于仿生學相關領域。圖8d展示了象鼻狀機器人在氙燈刺激下卷曲實現對小球的捕獲，具體過程見視頻S7。
視頻S7. 氙燈驅動實現象鼻卷曲。
圖8e展示了氙燈驅動下實現貓咪表情的變化。在沒有光照時，貓咪處于不開心的狀態。一旦光照發生，貓咪立刻表現出愉悅的狀態。此外，用該雙層薄膜制備的仿生花朵還可以實現氙燈驅動下的盛開與閉合(圖8f）。當該仿生花暴露在光照下時，原本盛開的花朵會逐漸關閉，而關閉氙燈后，花朵逐漸恢復到初始盛開狀態，具體過程見視頻S8。
視頻S8. 氙燈驅動實現仿生花的開閉。
這些例子表明PVA/C/PE雙層薄膜在智能機器人和智能設備的等領域具有一定的應用潛力。
綜上所述，本工作中開發的PVA/C/PE雙層薄膜呈現出制備過程簡單、結構穩定性好、價格低廉、功能多樣等優點。因此，它在可穿戴設備、運輸、光電轉換設備集成和臨床輔助治療等領域有著巨大的應用潛力。
論文鏈接：https://www.sciengine.com/SCMs/doi/10.1007/s40843-023-2619-7
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